西门子6ES7341-1BH02-0AE0产品齐全

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1  引言

随着步进伺服驱动控制技术的发展，步进伺服驱动细分精度的提高以及电力电子器件的发展，逐步克服了震荡、失步和发热的不足，性价比大幅度提升，广泛应用于工业机械精密定位的控制。当前用于工业控制的计算机系统主要有plc系统，基于pc总线的i，基于单片机的测控系统，集散控制系统（dcs）和现场总线控制系统（fcs）。而其中的plc因其性高、功能强大、使用方便、编程简单、抗干扰强等优点在工业控制领域内得到了广泛的应用。plc控制少量的步进电机时比较简单，但对于大量的步进电机，由于数量多，时序相对复杂，这使得控制难度增大。本文就是在试验基础上提出一套实现控制大量步进电机的设计方案，控制系统内部通讯采用的是标准现场总线—profibus，以确保高实时性和高动态响应要求，具有高性，强抗干扰能力和灵活的可扩充性，可立完成对设备的数据采集，精度控制。

2  硬件设计

2.1 系统概述

该系统为激光参数测量的电控系统，主要功能是完成对光束的控制、数据的采集、光路的准直等，控制特点是被控设备多而且分散，量大，因此硬件设计采用基于网络技术的分层分布式设计，使控制硬件系统形成一个整体，提高系统运行和维护的便捷性，并具有开放性、实用性、性等综合能力。

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图1  网络拓扑图

控制系统有6个束组fep，每一个束组fep控制264个电机，一个束组fep的网络拓扑图如图1所示，该图只画出了两个步进电机。分控计算机与1000m光纤网络连接，位于主控制室内，作为控制设备和测量设备的远程控制。光纤交换机通过网络接口向上与现场工业以太网相连，向下通过cp343-1以太网模块连接s7-300plc。s7-300 plc通过dp口连接em277模块，底层每个s7-200plc模块与em277模块相连， cpu224有两路脉冲输出q0.0和q0.1，可以同时控制两台步进电机。

2.2 系统配置

cpu315-2dp：具有大容量的程序存储器和profibus-dp主/从接口的cpu模块，可以使用集成的i/o点处理运动控制工艺技术功能。对于运动控制功能的编程，提供符合 plcopen标准功能块(fb)，在用户程序中可以调用这些功能模块，可地降低工程与组态、调试和维护费用。标准功能块直接集成在固件中，占用的cpu工作内存很少，可以提高运行效率。

（1）cp343-1：全双工以太网通信处理器，通过工业以太网以100mbit/s的速率直接将s7-300集成到综合系统中，拥有一个预定的以太网地址，通过网络可直接使用，能立处理工业以太网上的数据拥塞。

（2）cpu224：集成14输入/10输出共24个数字量i/o点，16k字节程序和数据存储空间，具有pid控制器。1个rs485通讯/编程口，具有ppi通讯协议、mpi通讯协议和自由方式通讯能力，是具有较强控制能力的控制器。2路立的20khz高速脉冲输出，每一路都可以用来产生控制步进电机驱动器的脉冲。

（3）em277：proibus-dp模块，用于自动化系统中单元级控制设备与分布式i/o的通信。经过em277的dp通信端口将s7-200 cpu连接到profibus-dp网络，各em277之间经过串行i/o总线通信。em277的dp口可运行于9600bit/s和12mbit/s之间的任何profibus波特率。

（4）步进电机：我们采用北京四通的两相混合式步进电机，28系列型号为28byg250c，42系列型号为42byg250c。

（5）驱动器：选用与步进电机配套的四通驱动器sh-20403，该驱动器采用h桥恒相电流pwm驱动，具有输出电流选择、细分选择、脱机保持、节能的自动半电流锁定、输入信号光电隔离以及错相保护等功能。

3  系统设计说明及网络通信

一个束组中电机的，采用一台西门子s7-300 plc主站与多个s7-200plc从站组成的profibus总线网络系统控制，s7-300cpu作为总的处理器处理s7-200的信息，通过cp343-1以太网通信模块连接到工业以太网。cpu315-2dp理论上多可挂接32个cpu 224从站，我们挂接了26个s7-200从站，每一个s7-200plc模块通过两路高速脉冲输出q0.0和q0.1控制两个电机，其它的输出分别控制电机的运动方向和使能。现场工控机通过应用软件，可设置各电机运行参数的值，通过改变对应电机运行参数的值，达到控制电机运行的目的。系统连接示意图如图2所示。

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图2  plc与步进电机连接示意图

cpu315-2dp通过dp口与em277连接，各个em277模块用profibus总线连接组成profibus现场总线网络，em277和cpu224之间通过扩展总线连接，组态的控制任务可从cpu315-2dp传送到扩展模板。扩展模板将该信息传送给cpu224，cpu224利用该信息建立必要的步进电机步数，并将这些步数作为脉冲（方向、行程和速度脉冲）传送到电机驱动器，然后驱动器使用这些脉冲信息控制步进电机。em277模块接受从主站来的多种不同的i/o配置，向主站发送和接收不同数量的数据，同时还能读写s7-200 cpu中定义的变量数据块。这样，用户能与主站交换任何类型的数据，达到较控制步进电机并采集运动数据的目的。

4  步进电机控制流程

步进电机的工作原理就是接收控制器或计算机发出的脉冲信号而动作，给一个脉冲，步进电机就转动一个角度或前进一步。电机驱动器将控制脉冲按照某种模式转换成步进电机线圈的电流，产生旋转磁场，使得转子只能按固定的步数来改变它的位置。连续的脉冲序列产生与其对应的同频率（同步机）步序列，如果控制频率足够高，步进电机的转动可看作一个连续的转动。图3为该系统中步进电机控制流程图。

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图3  电机控制流程图

电机所带负载电移台有两种动作：限位和到位，限位或到位信号接入到s7-200plc的输入端。当要求电移台完成限位动作时，plc收到上位机的指令后指令电机向某方向转动，电机碰到限位开关就停止运动，同时反馈单元向1000m光纤网报告已经完成限位动作；当要求完成到位动作时，电机驱动器把plc给定的脉冲数加给电机，电机按照该脉冲数带动负载运动一定的步距角，反馈单元报告负载的位置，分控计算机判断是否到位，如果到位则命令plc停止动作，否则再通过分控计算机通过计算脉冲数向plc发指令再次命令步进电机动作。

5  软件设计

5.1 系统软件配置

该系统以simatic step7 v5.3、 step 7 microwin  v4.0 sp4和wincc v6.0为软件开发平台。step7 v5.3编程软件主要完成s7-300硬件组态配置、物理地址配置、网络通信端口配置、ob、fb、fc编程等任务。step 7 micro/win编程软件能够很的对s7-200进行编程。上位机组态软件wincc v6.0向用户提供了大的应用灵活性和系统开放性，在工业自动化领域有着广泛的应用，它可以通过操作画面对实现数据进行监控，step 7中定义的变量可以在wincc中直接使用，这将大幅降低工程时间。

5.2 硬件组态

simatic step7 h/w config中组态配置内容包括：硬件名称和类型选择、dp网络参数设置(主从站地址、传输速率、操作模式)等。s7-300与s7-200通过em277进行profibus通讯，需要在step7中进行s7-300站组态。安装新的gsd文件，安装完成后才能在硬件设备中找到em277。在组态过程中需设定cpu315-2dp的地址，其默认值为2，组态中em277的地址不能与主站的地址重复，step7 v5.3中组态的em277 profibus站地址要与实际em277上的拨码开关设定的地址相一致，后选择em277的通信接口区大小为32字节输入和32字节输出。h/w硬件配置如图所示，一套配置中有26台em277，该图只组态了部分em277。组态完完成后，将硬件信息下载到s7-300的plc中，参见图4。

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图4  系统硬件组态图

5.3 通信及编程

wincc是上位机软件，硬件组态结束后打开wincc添加profibus-dp协议，建立一个新连接，地址设置为通信设备cpu315-2dp的地址。

s7-300plc参数存储区中，每一个电机运行参数分别与s7-200plc参数区中电机运行参数一一对应。改变s7-300plc中电机运行参数的值，即相当于改变s7-300plc中电机运行触发参数的值。每一台s7-200plc参数存储区中的两个电机运行触发参数，总共控制两台电机的运行和停止。在组态时设定主站的输入区为ib0～ib31，输出区为qb0～qb31，对应于从站s7-200的通信接口区为v区，占用64个字节，其中前32个字节为接收区，后32个字节为发送区。通信接口对应关系如下：

s7-300主站      s7200从站

qb0～qb31→  vb0～vb31

ib0～ib31    ←  vb32～vb63

在s7-300 cpu的ob块中，用户程序中的xget指令可以通过em277从cpu 224读取数据，在s7-200系统中不需要对通讯进行组态和编程，只需要将要进行通讯的数据整理存放在v存储区与s7-300的组态em277从站时的硬件i/o地址相对应就可以了。

cpu224提供两个数字输出q0.0和q0.1，该数字输出可以通过位控向导组态为pwm或pto的输出，也可以通过编程来控制步进电机的动作。步进电机在运行过程中一般采用如下运动曲线，步进电机的大速度和启/停速度由电机的力矩能力决定，加速减速时间要经过测验来定。图5所示为步进电机的大速度、启停时间、加减速时间关系。

图5  步进电机的大、启停速度以及加减速时间

6  结束语

整个系统应用西门子plc实现了对大量步进电机的控制，分布式i/o之间采用prrofibus-dp协议通讯方式，大大降低了现场设备连接的工作量和费用，提高了信号传输精度和灵活性，降低了系统成本，给调试和设备维护带来了方便。

2  控制系统构成

每台机组各配一套自控系统，两套zkzhf175机组配置西门子cpu-226+em235+2个em232+em277，四台zkzlfx100机组配置西门子cpu226+em235+em277，另两台zkzhf301机组配置西门子cpu-226+em223+em235+2个em232+ em277。每台机组需要与上位机相连。根据要求，将整个系统分为2部分：空调机组就地控制、集中控制部分。

2.1 空调机组就地控制部分

图1  空调机组就地控制部分 

如图1所示，空调机组就地控制部分在整个结构中智能的控制空调机组中各部件的运行/停止状态，通过它可以对每台立的空调机组进行监控，当立的机组与系统主站通讯出现故障时，可以通过该部分控制每台空调机组立运行，但对空调的就地控制、操作有一定的权限限制。

图2  系统示意图

在每台空调机组上装有控制柜(共8个)，控制柜中配有触摸屏、plc模块、模拟量输入/输出模块等。空调机组通过各种传感器采集房间的温度、湿度、压力等信号，并将具体信息显示到触摸屏上。通过该控制柜可以对空调机组的运行状态，故障情况进行监控，也可以对各种参数进行设定。

plc配置：机组就地控制部分的plc采用西门子s7-200cn可编程控制器模块。该系列plc适用于各行各业、各种应用场合中的检测、监测及控制的自动化，在空调控制领域中得到广泛应用，其强大的功能、高度的性、高的性价比使其成为该项目合适的选择。

人机界面：采用西门子k-tp178- micro，通过点对点的连接完成和s7-200cn的结合，整个系统具有良好的稳定性和抗干扰性。ktp-178 micro触摸屏采用了的电子部件，具有长的使用寿命，并与高度的西门子s7-200plc结合，能够满足空调系统的24小时不间断工作的要求。ktp-178 micro还具备了响应速度快、用户程序存储空间大、使用方便等优点。

2.2 集中控制部分

如图2系统控制图所示，部分采用wincc作上位机监控系统，s7-300cpu做profibus主站，s7-200作为profibus从站，通过profibus-dp网络，s7-300cpu采集8台空调机组的过程数据信息并在上位机上显示，并且上位机下达任务通过s7-300cpu传送给各台使用s7-200cpu的空调机组。集中控制部分的硬件组态如图3所示。上位机配置包括监控计算机；wincc v6.0 sp3软件；cp5611通讯卡；网络连接器；profibus通讯电缆。

监控系统采用西门子wincc软件，可以确保与simatic s7系列plc连接方便、通讯。该软件具有强大的画面组态、报警设置、数据归档、报表设计等功能，的过程耦合，快速的画面新及的数据传递使其具有高度的适用性。同时wincc还提供了开放的界面用于用户解决方案，使其使用于广泛、复杂的控制中。此外还集成了多种网络连接方式，使其与自动化连接方便。

图3  s7-300硬件组态示意图

3  系统功能设计

3.1 就地控制功能

(1) 数据及显示。采集各房间的温度、湿度、压力等模拟量值，以及cpu输入端的数字量，运行中的各种过程数据均能显示在触摸屏上，对于温湿度采用趋势图显示，能使用户能直观的观测到近段时间内厂房的温湿度变化；同时现场维护人员还可以根据空调机组的运行状况和各种工艺需求近距离对机组进行操控。

(2) 故障报警。当空调机组运行出现故障，plc立刻做出响应，同时触摸屏发出报警信号对操作人员进行提示，并对故障类别、发生时间进行记录。plc可以根据故障的类别发出停压缩机或停整机等信号，以保证整个空调机组的运行。

(3) 自动控制。每台空调机组根据其所在房间温湿度的要求，自动调节制冷、加热、、加湿，通过对各开关量及模拟量的控制，满足用户的精度要求。

3.2 集中监控功能

如图4和图5所示为集中监控8台空调机组及其监控状态的示意图。

图4  集中监控8台空调机组

图5  集中监控空调机组的状态

(1) 数据采集及显示。s7-300cpu通过profibus-dp网络自动采集和处理从各就地控制部分收集的实时数据，并与计算机进行通讯，将采集到的温度、湿度、各系统的输入/输出状态、各阀门的开度显示到上位机，同时将操作人员发出的命令传送给每台机组。

(2) 实时故障报警。对各空调机组的就地控制部分、通讯网络等进行故障监控，及时发出报警信号，并发出相应的处理命令，同时对故障发生的时间、故障的类别进行记录，帮助整个系统的运行。

(3) 历史故障查询。监控整个系统八台空调机组的运行情况，对每台机组的通讯故障、运行故障进行记录，方便操作人员在故障发生后的任何时间进行汇总查询。

(4) 实时监控与调整。上位机可以对8台机组的状态进行监控并控制机组的启/停，也可以及时的修改各参数的设定值，对整个系统集中控制。

(5) 数据归档。集中监控系统对整个系统的报警情况、对监控对象的操作情况及监控参数的变化情况进行监控，并将所需信息记录下来进行归档，形成中文报表显示在上位机并可以随时选择打印。

(6) 提供帮助信息。对于系统的操作顺序，故障的处理方法，参数的设定范围等为用户提供提示信息，使操作方便。

4  技术要点

4.1 pid算法的应用

为了使空调系统的控制精度达到用户要求，我们采用s7-200cn支持的pid控制。pid是闭环控制系统的比例－积分－微分控制算法，micro/win 提供了pid指令向导，使得控制的实现加方便快捷。根据设定温湿度与各室内实际温湿度的差值，按照pid算法计算出水阀、加湿器等的输出量，并且控制压缩机、加热起等执行机构的启停，从而实现温度、湿度达到用户要求精度。

4.2 s7-300与s7-200的通讯

如图6所示，s7-300通过em277模块读取s7-200plc的数据，在s7-300的硬件组态中配置与s7-200的每个站的通讯量为32word输入/32word输出。以下以台空调机组为例，在s7-200站中从地址vw1064开始的32个字中存放着空调机组的运行数据，通过下面程序，传送到s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw64开始的32个字中。

图6  s7-300读取s7-200的数据

数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字中存放着上位机控制空调机组的数据。通过下面程序，s7-300中的数据块db10的地址db10.dbw0开始的32个字传送给s7-200的地址vw1000开始的32个字。

图7  s7-300往s7-200写入数据

4.3 wincc图形参数和变量关联

为了把系统中各部分的实时状态直观的展现出来，将各运行系统以图形的方式展现出来，并且实现图形中的各组件根据实际情况发生变化。

如图8所示，需完成功能为当回风机运行时颜色变为“”，当它停止时，颜色变为“黄色”。

图8  wincc软件操作示意图

(1) 将风机图片添加到“系统图”画面中；

(2) 在风机图片上点右键，在属性中选择“控件属性”，在forecolor(前景色)处选择动态对话框，选择变量为相应的回风机的启动点地址，在有效范围处选择“置位”时颜色为，“未置位”时颜色为黄色。

5  结束语

系统于07年投入运行，运行状况良好，用户十分满意。整个控制系统操作简单，管理方便。各就地控制部分，运行稳定，满足用户精度的要求；集中监控系统使得整个系统控制方便，管理便捷。满足项目要求的高度的性、稳定性、可操作性和可维护性， 给用户的生产提供了。通过该项目对西门子s7-200plc、s7-300plc和wincc等的综合应用，深感西门子plc编程软件结构化程序开发思想，具有编程灵活，，程序简单，易懂的技术特色，软件wincc功能强大、画面丰富、使用方便，在该项目的控制系统中起着重要作用。由西门子产品组成的控制系统功能强大，扩展模块丰富，组态灵活，同时具有高的性和稳定性，与同类产品相比，。